高煥芝，洪 濤，陳 凱，秦建平

（1.鎮(zhèn)江市工程勘測設(shè)計研究院，江蘇鎮(zhèn)江212003；2.南京慧水軟件科技有限公司，江蘇南京210000）

0 引 言

在城區(qū)管道排水?dāng)?shù)字化模擬方面，國內(nèi)外目前已有許多較為成熟軟件，如SWMM、STORM、MOUSE、HydroWorks 等，大量地應(yīng)用于實際的城市排水系統(tǒng)模擬中。有學(xué)者利用RisUrSim模型模擬了德國Kaiserslautern的城市排水，利用MOUSE模型模擬了曼谷Sukhumvit 小流域的城市排水［1］，Drew Mihoeko 等［2］建立了費城城區(qū)的排水管理系統(tǒng)。但在模擬城市大范圍排水管網(wǎng)或地表積水等情況的實際應(yīng)用時，這些軟件都因無法實現(xiàn)區(qū)域淹沒可視化而顯得不夠完美。解以揚等［3］創(chuàng)建了城市暴雨內(nèi)澇數(shù)學(xué)模型，并通過天津、南京、南昌3個城市的暴雨過程進(jìn)行驗證。仇勁衛(wèi)等［4］將城市洪澇模擬與氣象預(yù)報監(jiān)測結(jié)合，對天津市暴雨內(nèi)澇情景進(jìn)行了模擬驗證。耿艷芬［5］將地表徑流模型和排水管網(wǎng)模型相聯(lián)系，形成一、二維相耦合的城市雨洪模型，但對排水地下管網(wǎng)與城市防洪大河網(wǎng)水系之間關(guān)聯(lián)關(guān)系重視不夠。本文著重對此加以改進(jìn)，將鎮(zhèn)江市城市水文水動力模型與城市雨洪模型進(jìn)行耦合，建立城區(qū)防洪排澇模型，并應(yīng)用于鎮(zhèn)江城市典型片區(qū)江濱片區(qū)。

1 城區(qū)防洪排澇模型介紹

1.1 城區(qū)匯水零維區(qū)域及積水模擬

城市水文單元，作為一個獨立的城市匯水區(qū)域，其間地形起伏不平，在地勢低洼的地方易形成積水。這種水文特點和眾多內(nèi)部河道的存在，使城市水文單元自身具有對降雨產(chǎn)流進(jìn)行再次調(diào)蓄的能力。因此，可以將城區(qū)產(chǎn)流在進(jìn)入雨水井之前的階段概化為經(jīng)過零維區(qū)域調(diào)蓄的過程。

當(dāng)城區(qū)河網(wǎng)水位高于內(nèi)部地表，管道出口淹沒于河道水位之下，城區(qū)強排能力不足，會產(chǎn)生河網(wǎng)水位對于管網(wǎng)系統(tǒng)水位的頂托作用。此時管道發(fā)生滿溢，認(rèn)為溢出的流量匯入?yún)^(qū)域零維要素中，根據(jù)零維要素的水量變化推斷城區(qū)的對應(yīng)水位。

零維區(qū)域模擬積水技術(shù)過程見圖1，零維調(diào)蓄填洼示意見圖2。

圖1 零維區(qū)域模擬積水技術(shù)過程

圖2 零維調(diào)蓄填洼示意

1.2 雨水井概化和連通

（1）對于雨水井的通過流量，采用雨水井流量計算公式：

（2）對于通過雨水井進(jìn)入管道的流量，可以采用如下通用公式計算：線性化后得到雨水井匯入流量為

式中：針對河網(wǎng)公式與雨水井地表水位ZN1及出水口河道水位ZN2建立關(guān)系：

φ′=，為雨水井過堰流量系數(shù)，其中分為淹沒與自由出流而不同。正常情況下落差大，為自由出流系數(shù)居多，滿溢時可能為淹沒出流。

φ″=為與河道銜接出水口流量系數(shù)，其中φn分為孔流與管嘴出流而不同。

1.3 管網(wǎng)與河網(wǎng)耦合

采用如下簡化四點線性隱格式方法對圣維南方程進(jìn)行差分離散。

1.3.1 明渠和有壓管流

兩組圣維南方程組形式上的區(qū)別在于摩阻項，最終二者形式上可統(tǒng)一寫作：

式中：C為謝才系數(shù)；A為當(dāng)量面積；R為水力半徑；Q為通過斷面的流量。

1.3.2 管渠的明滿過渡流方程

考慮了當(dāng)量壓縮模數(shù)，并統(tǒng)一了摩阻項和水面寬度（當(dāng)量寬度）的表達(dá)式后，明渠、滿管流、明滿過渡流三者統(tǒng)一方程組為

2 應(yīng)用實例

2.1 自然地理條件

鎮(zhèn)江城市北靠長江，南倚寧鎮(zhèn)山脈，地理位置優(yōu)越，是重要的交通、港口和新型產(chǎn)業(yè)聚集中心，長江經(jīng)濟帶上聯(lián)動南北的區(qū)域中心城市。2019年，鎮(zhèn)江市區(qū)戶籍人口為102.97萬人，地區(qū)生產(chǎn)總值達(dá)到1 856.02 億元。鎮(zhèn)江市區(qū)水系發(fā)達(dá)，共有87 條重要河道、27 座在冊水庫及31 處重要城市水域，城市生態(tài)良好，2015年入選國家首批海綿城市建設(shè)試點城市。主城區(qū)位于市區(qū)北部沿江，現(xiàn)狀建成區(qū)面積約140 km2。鎮(zhèn)江北部長江流域洪水繞城而下，南部山洪短時間內(nèi)穿城入江，城市腹背皆受洪水威脅，城市防洪任務(wù)復(fù)雜艱巨。

典型研究區(qū)域位于鎮(zhèn)江城市建成區(qū)的京口區(qū)的江濱片區(qū)，北臨金山湖，南至東吳路，西從濱水路，東至虹橋港，總面積約2.1 km2。片區(qū)內(nèi)分布有居民小區(qū)、商業(yè)店鋪、文化廣場等設(shè)施。

2.2 模型概化

2.2.1 雨水井及匯水區(qū)的概化與連通

城區(qū)產(chǎn)生的地面徑流在匯入零維要素之后，再通過雨水井進(jìn)入管道中。雨水井的水力學(xué)要素可以通過雨水篦子數(shù)據(jù)獲得。國家標(biāo)準(zhǔn)的雨水口篦子，尺寸為750 mm×450 mm，外框尺寸是872 mm×572 mm，凈空402 mm×702 mm，適用于380 mm×680 mm或400 mm×700 mm的雨水口使用。

本次研究收集了鎮(zhèn)江江濱片區(qū)研究區(qū)域內(nèi)的雨篦子信息，并加以分析整理成模型規(guī)范格式，導(dǎo)入系統(tǒng)中，如圖4 所示，共計858 個雨水口，總凈空面積83.25 m2，平均面積為0.097 m2。

模型匯水區(qū)的劃分充分考慮雨水管網(wǎng)實際匯流方式，采用片區(qū)實測DEM 高程、道路及雨水口位置等信息概化而成，模型生成各雨水井的匯水區(qū)域如圖3、圖4所示。

圖3 城區(qū)雨水井概化圖

圖4 城區(qū)雨水井匯水區(qū)域概化圖

2.2.2 管道概化

本次研究收集江濱片區(qū)管道共計366 段，根據(jù)所收集的每段管道信息，經(jīng)過整合連接概化管道共計21條。

2.2.3 管網(wǎng)與河網(wǎng)耦合

江濱片區(qū)內(nèi)地形南高北低，內(nèi)部無河道，片區(qū)雨水由地下雨水管網(wǎng)搜集，排入金山湖。江濱片區(qū)的管網(wǎng)入金山湖共設(shè)置了5個出水口。

2.3 模型率定

本次模型概化了鎮(zhèn)江江濱片區(qū)范圍內(nèi)的管網(wǎng)和河網(wǎng)，并將其進(jìn)行耦合，由于管網(wǎng)對象的特殊性，管道內(nèi)部水位流量情況無法獲知，因此針對管網(wǎng)模型的率定只能從設(shè)計暴雨下江濱片區(qū)地面的現(xiàn)狀積水情況方面進(jìn)行考慮。模型采用2015年6月2日14：00 至16：30 實測降雨水位進(jìn)行江濱片區(qū)管網(wǎng)的率定工作。基于鎮(zhèn)江市城市防洪規(guī)劃已經(jīng)建立的模型相關(guān)參數(shù)，結(jié)合本次率定結(jié)果，共率定城區(qū)糙率、洼地最大攔蓄量等13項參數(shù)。

模型多次調(diào)試后，模擬成果顯示該場降雨下，江濱片區(qū)地面有明顯的積水，其中江濱路、夢溪路、東吳路以及古城路包圍區(qū)域積水相對嚴(yán)重，積水深度集中分布在5~25 cm 范圍內(nèi)，小范圍地區(qū)積水深度超過50 cm。與現(xiàn)場調(diào)研了解到2015 年6 月2 日降雨江濱片區(qū)地面積水情況基本一致。

2.4 模擬成果

2.4.1 設(shè)計方案

本次研究重點考慮管網(wǎng)1 年、2 年、3 年、5 年一遇設(shè)計暴雨情況下的管道排水及地面積水情況，選取1 年、2 年、3 年和5 年一遇作為本次計算方案，河網(wǎng)邊界條件采用金山湖常水位5.8 m和持續(xù)高水位7.5 m兩種情況，共組合為8種設(shè)計方案。

2.4.2 計算成果

經(jīng)計算分析，江濱片區(qū)管道滿足1 年一遇設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)的約占64.55%，積水面積0.175 km2，約占總面積的8.37%；滿足2 年一遇設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)的約占59.09% ，積 水 面 積0.234 km2，約 占 總 面 積 的11.20%；滿足3 年一遇設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)的約占52.73%，積水面積0.259 km2，約占總面積的12.39%；滿足5 年一遇設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)約占41.18%，積水面積0.324 km2，約占總面積的15.50%。

當(dāng)金山湖水位達(dá)到7.5 m 時，邊界水位發(fā)生倒灌，江濱片區(qū)管道滿足1 年一遇設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)的約占39.09%，積水面積0.317 km2，約占總面積的15.17%；滿足2 年一遇設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)的約占38.18%，積水面積0.353 km2，約占總面積的16.89%；滿足3 年一遇設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)的約占36.36%，積水面積0.379 km2，約占總面積的18.13%；滿足5 年一遇設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)約占34.55%，積水面積0.424 km2，約占總面積的20.29%。

不同設(shè)計工況城區(qū)管網(wǎng)排水模擬成果統(tǒng)計見表1。

表1 不同設(shè)計工況城區(qū)管網(wǎng)排水模擬成果統(tǒng)計

2.4.3 成果分析

根據(jù)前述江濱片區(qū)城區(qū)排水雨洪模型模擬計算分析成果，為改善江濱片區(qū)排水條件，保護(hù)江濱片區(qū)內(nèi)重要基礎(chǔ)設(shè)施安全，建議采取以下措施。

（1）盡快落實地下排水管道提標(biāo)改造計劃，結(jié)合模型模擬成果可明確針對性改造片區(qū)和位置。建設(shè)與城市發(fā)展進(jìn)程相匹配的城市排水體系，提高片區(qū)管道排水能力。江濱片區(qū)人口集中，商業(yè)發(fā)達(dá)，防洪排澇保障需求高，而目前該片區(qū)管網(wǎng)排水能力達(dá)到1年一遇設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)的僅為64.55%，尚有超過1/3 的排水管網(wǎng)過流能力不足1 年一遇。建議城市實施管網(wǎng)建設(shè)時，優(yōu)先考慮江濱片區(qū)，優(yōu)先改造增大或擴充不滿足設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)區(qū)域的管道。

（2）建議江濱片區(qū)位于鎮(zhèn)江市海綿城市建設(shè)試點區(qū)范圍內(nèi)，并在該片區(qū)內(nèi)積極推廣采用LID技術(shù)，因地制宜建設(shè)或改造綠色屋頂、下凹式綠地、透水鋪面等海綿城市相關(guān)措施，保持和增強雨水的滲透，合理利用城市空間對暴雨徑流進(jìn)行源頭控制，降低片區(qū)內(nèi)雨水管網(wǎng)的排水壓力。

（3）加強片區(qū)內(nèi)排水管理，結(jié)合模型模擬成果可預(yù)測不同強度降雨可能造成的積水情況。及時關(guān)注本地暴雨、金山湖水位情況，及早預(yù)知暴雨到來，根據(jù)模型結(jié)果參照預(yù)測暴雨可能造成的積水范圍和程度，提前通知積水影響區(qū)域居民做好防護(hù)措施，必要時組織居民提前撤出，實行交通管制。

（4）加強城市排水與城市防洪管理部門之間的溝通，在保障城市外圍防洪安全的前提下，盡可能降低城區(qū)內(nèi)部特別是金山湖水位，為城市澇水外排提供順暢條件。

（5）城市其他排水管網(wǎng)區(qū)域可參照江濱片區(qū)，構(gòu)建城區(qū)排水雨洪模型，模擬分析計算現(xiàn)狀管網(wǎng)的實際排水能力，診斷排水能力較低的管網(wǎng)具體位置，明確暴雨時排水管理和防御重點區(qū)域與城區(qū)管網(wǎng)優(yōu)先改造計劃。

3 結(jié) 語

運用模型可以探明片區(qū)管網(wǎng)總體排水能力，識別片區(qū)內(nèi)管網(wǎng)各條排水管道具體過流能力；運用模型可以探明片區(qū)城市排水風(fēng)險區(qū)域，識別雨后風(fēng)險區(qū)域的具體位置、范圍和可能積水深度；運用模型可以探明外排條件對片區(qū)管網(wǎng)總體排水狀況的影響，當(dāng)外排條件較為惡劣，金山湖水位達(dá)到城市防洪最高控制水位7.5 m，該片區(qū)遭遇不同設(shè)計雨型的降雨可能造成的積水情況。根據(jù)江濱片區(qū)城區(qū)排水雨洪模型模擬計算分析成果，可為鎮(zhèn)江城市防洪排澇管理提供技術(shù)支撐。